[发明专利]一种空间相机主动热控调焦装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间相机主动热控调焦装置，属于航天遥感相机技术领域。

背景技术

近年来，航天技术发展非常迅速，星载空间相机的应用越来越广泛，空间相机任务的关键是获取和提供清晰完整的图像，而要想获得高清晰度的图像，在相机摄像时，地面景物应准确地成像在CCD的感光面上。但是随着科学技术的发展，对苛刻的发射环境和空间环境下空间相机的可靠性和精度要求越来越高，航天相机在运输和发射过程中会受到振动冲击，在轨工作时空间温度复杂多变，空间重力场是不同于地球表面的微重力环境，这些因素都可能导致相机的成像面与焦平面不重合，即产生不同程度的离焦，从而导致成像质量下降。

为保证相机成像质量，要求相机对环境因素变化具有良好的适应性，在对相机进行光学系统、结构支撑和电控系统设计时，需要在相机系统中加入调焦机构，采用相应的调焦机构来微调光学系统中光线成像的位置，补偿CCD的离焦量，使星下点目标准确成像在CCD感光面上，已修正这种离焦，调焦机构的调焦量根据环境条件和控制精度的要求确定的，从而使相机能得到高清晰度的图像。此外，采用空间调焦，也可以放宽对光学系统各光学反射镜安装位置及其变化的要求，有利于光学遥感器在恶劣的环境下可靠地工作。

调焦方式主要由光学系统、结构形式、调焦精度及使用环境条件决定。不同光学系统其调焦方式不同，常用的调焦方式主要有镜组移动式、焦面反射镜移动式和焦平面移动式几种。

现有的调焦机构设计主要有三种：第一种采用CCD焦平面调焦方案，为了使调焦控制精度优于±10μm，通过分析相机的光学系统和光机支撑结构设计了调焦机构。该调焦机构采用两级减速器，第一级采用精度等级为5级的蜗轮蜗杆副，减速比为33∶1；第二级采用精度等级为5级的齿轮副，减速比为3∶1；总减速比为99∶1。第二种，调焦机构主要由步进电机、滚珠丝杠、调焦镜组件、运动方向转换机构、蜗轮箱和编码器等组成。由于大口径、长焦距、高分辨率是空间相机的主要特点，镜头组件和焦面组件处的光学元件都不宜用来调焦。光学系统中，位于焦面前的校正镜尺寸小、重量轻，且为球面反射镜，最适宜用作调焦镜。由于调焦镜需要沿光轴方向在一定距离范围内移动，通常由丝杠丝母或凸轮机构将电机的回转运动转换为直线运动，然后再通过一系列的减速机构实现精确调焦。凸轮机构的结构比较简单，抗冲击能力强，适宜用作重载机构的运动方向转换，但凸轮曲线的加工要求较高，且凸轮机构和其减速机构的空间要求也较大。丝杠丝母机构的抗冲击能力较差，但其结构简单，运动灵活。由于相机调焦镜组件的重量较轻，故冲击力较小，适宜选用容易实现的丝杠丝母结构，同时选用轻便灵活的直线轴承作导向元件。第三种是一种行程30mm，负载10kg，可适用在环境温度为40℃～+55℃之间的航空光学调焦机构。调焦机构主要由以下几部分组成：带有滑块的直线导轨、直线步进电机、直线位移传感器、数字信号处理器、步进电机功率驱动模块。将平面反射镜固连在滑块上，直线步进电机驱动滑块沿导轨作直线运动，直线位移传感器检测滑块的相对位移量并将此模拟信号传递给数字信号处理器，对其进行处理，转换为数字信号反馈给直线步进电机，确定滑块的相对位置，对其进行实时控制。

综上，目前国内空间相机调焦环节均未涉及到通过调节次镜的位置来补偿离焦量，且调节方式均选择精密机械机构调节，相比本发明的设计来说，选择次镜作为调节环节，因次镜重量相对较轻，且所在位置较为独立，相比复杂的CCD焦平面组件等上述方法，要轻便很多，也较为容易控制，且调节目标重量较轻，精度较高，在者，精密机械机构调节中，精密部件较多，且精度要求较高，综合较本发明方法重量较大，这在航空中是一个很大的弊端，航空要求低重量，结构紧凑，但以上设计方案均较重量，较大体积，较高的经济投入，而本发明在精度要求不变的情况下，降低了加工成本，减轻了整体重量。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种满足空间使用条件、性能稳定、精度高、结构可靠的空间相机主动热控调焦装置及调焦方法。